低温熔渗反应结合B4C复相陶瓷制备与性能研究

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jinhait2009
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碳化硼(B4C)陶瓷是一种重要的结构材料,具有高硬度、低密度、高熔点、优良的耐腐蚀性和耐磨性、良好的化学稳定性以及中子吸收性能等优点,被广泛用作防弹材料、防辐射材料、耐磨和自润滑材料、特种耐酸碱侵蚀材料、切割研磨工具以及原子反应堆控制和屏蔽材料等。但碳化硼强共价键的特性使碳化硼致密化困难。纯碳化硼常压下即使在2200℃温度烧结,材料的相对密度通常也只能达到80%左右,从而限制了材料的广泛应用。  本文采用反应熔渗法,利用Si或Si合金熔体浸渗B4C预成型体,实现B4C基复相陶瓷的低温致密化。创新性地采用高比表面积的微孔碳作为碳源促进反应;通过在成型体中引入Ti成分,促使反应过程中原位生成硼化钛对材料进行强韧化,改善碳化硼基复相陶瓷的性能。利用光学显微镜、XRD、SEM、TEM、EDS等材料结构分析方法研究不同制备条件下复相陶瓷的组织结构,采用显微压痕、三点弯曲等实验方法测试了材料的力学性能,并探讨了材料的显微结构和性能间的关系。  研究结果表明:硅钛合金和硅对基于B4C和碳的预制体具有良好的浸润性。采用硅作为熔渗剂时,在略高于硅的熔点的温度下,便可以实现熔体的渗入,同时与成型体组分发生反应,可以获得致密碳化硼基复相陶瓷。而采用硅钛合金作为熔渗剂,由于硅钛合金的活性太高,在成型体表面便与其中的组元发生反应生成致密反应层,阻塞熔体浸渗的通道,导致熔体不能充分深入成型体内部,不能实现致密烧结。为此,本文进一步以B4C、微孔碳和Ti为原料制备成型体,直接将Ti成分引入至成型体。在熔渗过程中,成型体中的Ti与B4C反应,生成了TiB2粒子,材料主要由B4C、B12.97Si0.03C2、SiC、TiB2及残余Si等物相组成。随着成型体中钛含量的增加,材料的密度增大,弹性模量差别不大,维氏硬度在钛添加量较低时差别不大,而钛添加量较高时则下降比较明显。弯曲强度和断裂韧性均呈现先增大后减小的模式,在坯体中钛含量为15%时,材料的弯曲强度为313 MPa,断裂韧性高达5.40MPa.m1/2,表明原位反应生成的硼化钛对于材料具有良好的强韧化作用。
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